第二講電力電子器件及其驅動電路2.1電力二極管2.2門極可關斷晶閘管2.3電力場效應晶體管2.4絕緣柵雙極晶體管2.5MOS控制晶閘管2.6其它新型功率器件/cfzhanduimingzi/2.1電力二極管2.1.1PN結與電力二極管的工作原理2.1.2電力二極管的基本特性2.1.3電力二極管的主要參數2.1.4電力二極管的主要類型返回2.1.1PN結與電力二極管的工作原理電力二極管結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用快恢復二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位返回2.1.1PN結與電力二極管的工作原理電力二極管基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導體PN結為基礎由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝2.1.1PN結與電力二極管的工作原理圖2－1電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號

a)外形b)結構c)電氣圖形符號2.1.1PN結與電力二極管的工作原理N型半導體和P型半導體結合后構成PN結。交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區的多子向另一區的擴散運動，到對方區內成為少子，在界面兩側分別留下了帶正、負電荷但不能任意移動的雜質離子。這些不能移動的正、負電荷稱為空間電荷）。空間電荷建立的電場被稱為內電場或自建電場，其方向是阻止擴散運動的，另一方面又吸引對方區內的少子（對本區而言則為多子）向本區運動，即漂移運動。擴散運動和漂移運動既相互聯系又是一對矛盾，最終達到動態平衡，正、負空間電荷量達到穩定值，形成了一個穩定的由空間電荷構成的范圍，被稱為空間電荷區，按所強調的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區。2.1.1PN結與電力二極管的工作原理PN結的正向導通狀態

電導調制效應使得PN結在正向電流較大時壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結表現為低阻態圖2－2PN結的形成2.1.1PN結與電力二極管的工作原理PN結的反向截止狀態

PN結的單向導電性二極管的基本原理就在于PN結的單向導電性這一主要特征PN結的反向擊穿

有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導致熱擊穿PN結的電容效應：

PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現電容效應，稱為結電容CJ，又稱為微分電容。結電容按其產生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容CD2.1.1PN結與電力二極管的工作原理勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。勢壘電容的大小與PN結截面積成正比，與阻擋層厚度成反比擴散電容僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主；正向電壓較高時，擴散電容為結電容主要成分結電容影響PN結的工作頻率，特別是在高速開關的狀態下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作，應用時應加以注意。2.1.1PN結與電力二極管的工作原理造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區別的一些因素：正向導通時要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，電導調制效應不能忽略引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應也會有較大影響為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大2.1.2電力二極管的基本特性靜態特性主要指其伏安特性當電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩定導通狀態。與正向電流IF對應的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數值恒定的反向漏電流返回2.1.2電力二極管的基本特性圖2－3電力二極管的伏安特性2.1.2電力二極管的基本特性動態特性動態特性——因結電容的存在，三種狀態之間的轉換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓—電流特性是隨時間變化的。動態特性主要指開關特性，開關特性反映通態和斷態之間的轉換過程關斷過程

在關斷之前有較大的反向電流出現，并伴隨有明顯的反向電壓過沖須經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態2.1.2電力二極管的基本特性延遲時間：td=t1-t0,電流下降時間：tf=t2-t1反向恢復時間：trr=td+tf恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間的比值tf/td，或稱恢復系數，用Sr表示圖2－4電力二極管的動態過程波形a)正向偏置轉換為反向偏置b)零偏置轉換為正向偏置2.1.2電力二極管的基本特性開通過程(Turn-onTransient)：

電力二極管的正向壓降先出現一個過沖UFP，經過一段時間才趨于接近穩態壓降的某個值（如2V）。這一動態過程時間被稱為正向恢復時間tfr。電導調制效應起作用需一定的時間來儲存大量少子，達到穩態導通前管壓降較大正向電流的上升會因器件自身的電感而產生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高2.1.3電力二極管的主要參數正向平均電流IF(AV)

額定電流——在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值正向平均電流是按照電流的發熱效應來定義的，因此使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。當用在頻率較高的場合時，開關損耗造成的發熱往往不能忽略當采用反向漏電流較大的電力二極管時，其斷態損耗造成的發熱效應也不小返回2.1.3電力二極管的主要參數正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩態正向電流時對應的正向壓降有時參數表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態正向大電流時器件的最大瞬時正向壓降反向重復峰值電壓URRM指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定2.1.3電力二極管的主要參數最高工作結溫TJM結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示最高工作結溫是指在PN結不致損壞的前提下所能承受的最高平均溫度TJM通常在125~175C范圍之內反向恢復時間trrtrr=td+tf

，關斷過程中，電流降到0起到恢復反響阻斷能力止的時間浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續一個或幾個工頻周期的過電流。2.1.4電力二極管的主要類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性的不同介紹在應用時，應根據不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管性能上的不同是由半導體物理結構和工藝上的差別造成的返回2.1.4電力二極管的主要類型普通二極管普通二極管又稱整流二極管多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中其反向恢復時間較長，一般在5s以上，這在開關頻率不高時并不重要正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數千安和數千伏以上2.1.4電力二極管的主要類型快恢復二極管恢復過程很短特別是反向恢復過程很短（5s以下）的二極管，也簡稱快速二極管工藝上多采用了摻金措施有的采用PN結型結構、有的采用改進的PiN結構2.1.4電力二極管的主要類型采用外延型PiN結構的的快恢復外延二極管，其反向恢復時間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在400V以下從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到20~30ns。

2.1.4電力二極管的主要類型肖特基二極管以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管，簡稱為肖特基二極管20世紀80年代以來，由于工藝的發展得以在電力電子電路中廣泛應用肖特基二極管的弱點當反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩態損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度2.1.4電力二極管的主要類型肖特基二極管的優點反向恢復時間很短（10~40ns）正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高2.2門極可關斷晶閘管2.2.1概述2.2.2GTO的結構和工作原理2.2.3GTO的動態特性2.2.4GTO的主要參數2.2.5GTO的驅動返回2.2.1概述門極可關斷晶閘管晶閘管的一種派生器件可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用返回2.2.2GTO的結構和工作原理結構：與普通晶閘管的相同點：PNPN四層半導體結構，外部引出陽極、陰極和門極和普通晶閘管的不同：GTO是一種多元的功率集成器件，內部包含數十個甚至數百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內部并聯在一起圖2－5GTO的內部結構和電氣圖形符號

a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形b)并聯單元結構斷面示意圖c)電氣圖形符號返回2.2.2GTO的結構和工作原理工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖2－6所示的雙晶體管模型來分析1+2=1是器件臨界導通的條件。當1+2>1時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導通；當1+2<1時，不能維持飽和導通而關斷圖2－6GTO元或晶閘管的等效電路2.2.2GTO的結構和工作原理GTO能夠通過門極關斷的原因是其與普通晶閘管有如下區別：（1）設計2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關斷（2）導通時1+2更接近1（1.05，普通晶閘管1+21.15）導通時飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大（3）多元集成結構使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流導通過程:與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程度較淺關斷過程：強烈正反饋——門極加負脈沖即從門極抽出電流，則Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和Ic1減小，又進一步減小V2的基極電流當IA和IK的減小使1+2<1時，器件退出飽和而關斷多元集成結構還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強2.2.2GTO的結構和工作原理2.2.3GTO的動態特性開通過程：與普通晶閘管類似，需經過延遲時間td和上升時間tr圖2－7GTO的開通和關斷過程電流波形返回2.2.3GTO的動態特性關斷過程：與普通晶閘管有所不同抽取飽和導通時儲存的大量載流子——儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和等效晶體管從飽和區退至放大區，陽極電流逐漸減小——下降時間tf殘存載流子復合——尾部時間tt通常tf比ts小得多，而tt比ts要長門極負脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲存載流子的速度越快，ts越短門極負脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當負電壓，則可縮短尾部時間2.2.4GTO的主要參數

GTO的許多參數和普通晶閘管相應的參數意義相同，以下只介紹意義不同的參數1)開通時間ton

延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約1~2s，上升時間則隨通態陽極電流值的增大而增大2)關斷時間toff

一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。GTO的儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2s不少GTO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管，需承受反壓時，應和電力二極管串聯返回2.2.4GTO的主要參數3)最大可關斷陽極電流IATO:GTO的額定電流4)

電流關斷增益off

最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關斷增益

（1-8）

off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200A2.2.5GTO的驅動GTO的開通控制與普通晶閘管相似，但對脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個導通期間施加正門極電流

使GTO關斷需施加負門極電流，對其幅值和陡度的要求更高，關斷后還應在門陰極施加約5V的負偏壓以提高抗干擾能力推薦的GTO門極電壓電流波形如圖2－8所示。圖2－8推薦的GTO門極電壓電流波形返回2.2.5GTO的驅動驅動電路通常包括開通驅動電路、關斷驅動電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型直接耦合式驅動電路可避免電路內部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿，因此目前應用較廣，但其功耗大，效率較低典型的直接耦合式GTO驅動電路如圖2－9所示。2.2.5GTO的驅動二極管VD1和電容C1提供+5V電壓VD2、VD3、C2、C3構成倍壓整流電路提供+15V電壓VD4和電容C4提供-15V電壓V1開通時，輸出正強脈沖V2開通時輸出正脈沖平頂部分V2關斷而V3開通時輸出負脈沖V3關斷后R3和R4提供門極負偏壓圖2－9典型的直接耦合式GTO驅動電路2.3電力場效應晶體管2.3.1概述2.3.2電力MOSFET的結構和工作原理2.3.3電力MOSFET的基本特性2.3.4電力MOSFET的主要參數2.3.5電力MOSFET的驅動返回2.3.1概述也分為結型和絕緣柵型（類似小功率FET）但通常主要指絕緣柵型中的MOS型簡稱電力MOSFET結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管返回2.3.1概述

特點——用柵極電壓來控制漏極電流驅動電路簡單，需要的驅動功率小開關速度快，工作頻率高熱穩定性優于GTR電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置2.3.2電力MOSFET的結構和工作原理電力MOSFET的種類

按導電溝道可分為P溝道

和N溝道

耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道增強型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道

電力MOSFET主要是N溝道增強型返回2.3.2電力MOSFET的結構和工作原理電力MOSFET的結構圖2－10電力MOSFET的結構和電氣圖形符號2.3.2電力MOSFET的結構和工作原理導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型晶體管導電機理與小功率MOS管相同，但結構上有較大區別電力MOSFET的多元集成結構國際整流器公司的HEXFET采用了六邊形單元西門子公司的SIPMOSFET采用了正方形單元摩托羅拉公司的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列2.3.2電力MOSFET的結構和工作原理小功率MOS管是橫向導電器件電力MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為VMOSFET——大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力按垂直導電結構的差異，又分為利用V型槽實現垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散結構的VDMOSFET這里主要以VDMOS器件為例進行討論2.3.2電力MOSFET的結構和工作原理電力MOSFET的工作原理截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零P基區與N漂移區之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過2.3.2電力MOSFET的結構和工作原理電力MOSFET的工作原理導電：在柵源極間加正電壓UGS柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區中的空穴推開，而將P區中的少子——電子吸引到柵極下面的P區表面當UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電2.3.3電力MOSFET的基本特性1)

靜態特性圖2－11電力MOSFET的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性返回2.3.3電力MOSFET的基本特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs2.3.3電力MOSFET的基本特性MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區（對應于GTR的截止區）飽和區（對應于GTR的放大區）非飽和區（對應于GTR的飽和區）電力MOSFET工作在開關狀態，即在截止區和非飽和區之間來回轉換電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通電力MOSFET的通態電阻具有正溫度系數，對器件并聯時的均流有利2.3.3電力MOSFET的基本特性2)

動態特性圖2－12電力MOSFET的開關過程a)測試電路b)開關過程波形up—脈沖信號源，Rs—信號源內阻，RG—柵極電阻，RL—負載電阻，RF—檢測漏極電流2.3.3電力MOSFET的基本特性開通過程（開關過程圖）開通延遲時間td(on)——up前沿時刻到uGS=UT并開始出現iD的時刻間的時間段上升時間tr——

uGS從uT上升到MOSFET進入非飽和區的柵壓UGSP的時間段iD穩態值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定UGSP的大小和iD的穩態值有關UGS達到UGSP后，在up作用下繼續升高直至達到穩態，但iD已不變開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和2.3.3電力MOSFET的基本特性關斷過程（開關過程圖）

關斷延遲時間td(off)——up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數曲線下降到UGSP時，iD開始減小止的時間段下降時間tf——

uGS從UGSP繼續下降起，iD減小，到uGS<UT時溝道消失，iD下降到零為止的時間段關斷時間toff——關斷延遲時間和下降時間之和2.3.3電力MOSFET的基本特性MOSFET的開關速度MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系使用者無法降低Cin，但可降低驅動電路內阻Rs減小時間常數，加快開關速度MOSFET只靠多子導電，不存在少子儲存效應，因而關斷過程非常迅速開關時間在10~100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的場控器件，靜態時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。2.3.4電力MOSFET的主要參數除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之還有:1)

漏極電壓UDS電力MOSFET電壓定額2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM電力MOSFET電流定額3)柵源電壓UGS柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導致絕緣層擊穿4)

極間電容

極間電容CGS、CGD和CDS返回2.3.4電力MOSFET的主要參數廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉移電容CrssCiss=CGS+CGD（1-14）Crss=CGD（1-15）Coss=CDS+CGD（1-16）輸入電容可近似用Ciss代替這些電容都是非線性的2.3.4電力MOSFET的主要參數

漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區

一般來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優點實際使用中仍應注意留適當的裕量圖2－13MOSFET正向偏置安全工作區（圖中的時間表示脈沖寬度）2.3.5電力MOSFET的驅動柵源間、柵射間有數千皮法的電容，為快速建立驅動電壓，要求驅動電路輸出電阻小。使MOSFET開通的驅動電壓一般10~15V，使IGBT開通的驅動電壓一般15～20V。關斷時施加一定幅值的負驅動電壓（一般取–5～-15V）有利于減小關斷時間和關斷損耗。在柵極串入一只低值電阻（數十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應隨被驅動器件電流額定值的增大而減小。典型的電力MOSFET的驅動電路如圖2－14所示。返回2.3.5電力MOSFET的驅動無輸入信號時高速放大器A輸出負電平,V3導通輸出負驅動電壓當有輸入信號時A輸出正電平，V2導通輸出正驅動電壓

專為驅動電力MOSFET而設計的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅動電壓+15V和-10V。圖2－14電力MOSFET的一種驅動電路2.4絕緣柵雙極晶體管2.4.1概述2.4.2IGBT的結構和工作原理2.4.3IGBT的基本特性2.4.4IGBT的主要參數2.4.5IGBT的擎住效應和安全工作區2.4.6IGBT的驅動返回2.4.1概述GTR和GTO的特點——雙極型，電流驅動，有電導調制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜

MOSFET的優點——單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單兩類器件取長補短結合而成的復合器件—Bi-MOS器件返回2.4.1概述絕緣柵雙極晶體管（IGBT或IGT）

GTR和MOSFET復合，結合二者的優點，具有好的特性

1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場,中小功率電力電子設備的主導器件

繼續提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位2.4.2IGBT的結構和工作原理IGBT是三端器件：柵極G、集電極C和發射極E圖2－15IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號返回2.4.2IGBT的結構和工作原理IGBT的結構（顯示圖）圖2－15（a）—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT（N-IGBT）

IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區，形成了一個大面積的P+N結J1——使IGBT導通時由P+注入區向N基區發射少子，從而對漂移區電導率進行調制，使得IGBT具有很強的通流能力簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構，一個由MOSFET驅動的厚基區PNP晶體管

RN為晶體管基區內的調制電阻2.4.2IGBT的結構和工作原理IGBT的原理

驅動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定導通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通導通壓降：電導調制效應使電阻RN減小，使通態壓降小關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷2.4.3IGBT的基本特性1)

IGBT的靜態特性圖2－16IGBT的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性返回2.4.3IGBT的基本特性轉移特性——IC與UGE間的關系，與MOSFET轉移特性類似開啟電壓UGE(th)——IGBT能實現電導調制而導通的最低柵射電壓UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時，UGE(th)的值一般為2~6V輸出特性（伏安特性）——以UGE為參考變量時，IC與UCE間的關系分為三個區域：正向阻斷區、有源區和飽和區。分別與GTR的截止區、放大區和飽和區相對應uCE<0時，IGBT為反向阻斷工作狀態2.4.3IGBT的基本特性2)

IGBT的動態特性圖2－17IGBT的開關過程2.4.3IGBT的基本特性IGBT的開通過程

（開關過程圖）

與MOSFET的相似，因為開通過程中IGBT在大部分時間作為MOSFET運行開通延遲時間td(on)——從uGE上升至其幅值10%的時刻，到iC上升至10%ICM2

電流上升時間tr

——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時間開通時間ton——開通延遲時間與電流上升時間之和uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程2.4.3IGBT的基本特性IGBT的關斷過程（開關過程圖）關斷延遲時間td(off)——從uGE后沿下降到其幅值90%的時刻起，到iC下降至90%ICM電流下降時間tf——iC從90%ICM下降至10%ICM關斷時間toff——關斷延遲時間與電流下降之和電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT內部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快；tfi2——IGBT內部的PNP晶體管的關斷過程，iC下降較慢2.4.3IGBT的基本特性IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導調制效應的好處，但也引入了少子儲存現象，因而IGBT的開關速度低于電力MOSFETIGBT的擊穿電壓、通態壓降和關斷時間也是需要折衷的參數2.4.4IGBT的主要參數1)最大集射極間電壓UCES由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定2)

最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP3)最大集電極功耗PCM正常工作溫度下允許的最大功耗返回2.4.4IGBT的主要參數IGBT的特性和參數特點開關速度高，開關損耗小。在電壓1000V以上時，開關損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當相同電壓和電流定額時，安全工作區比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力通態壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區域輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點2.4.5IGBT的擎住效應和安全工作區

圖2－15IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號返回2.4.5IGBT的擎住效應和安全工作區寄生晶閘管——由一個N-PN+晶體管和作為主開關器件的P+N-P晶體管組成正偏安全工作區——最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定反向偏置安全工作區——最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定2.4.5IGBT的擎住效應和安全工作區擎住效應或自鎖效應

NPN晶體管基極與發射極之間存在體區短路電阻，P形體區的橫向空穴電流會在該電阻上產生壓降，相當于對J3結施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控動態擎住效應比靜態擎住效應所允許的集電極電流小擎住效應曾限制IGBT電流容量提高，20世紀90年代中后期開始逐漸解決IGBT往往與反并聯的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導器件2.4.6IGBT的驅動IGBT的驅動多采用專用的混合集成驅動器常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）內部具有退飽和檢測和保護環節，當發生過電流時能快速響應但慢速關斷IGBT，并向外部電路給出故障信號M57962L輸出的正驅動電壓均為+15V左右，負驅動電壓為－10V。M57962L型IGBT驅動器的內部結構和外部接線如圖2－18所示。返回2.4.6IGBT的驅動圖2－18M57962L型IGBT驅動器的內部結構和外部接線圖2.5MOS控制晶閘管2.5.1概述2.5.2MCT的結構和工作原理2.5.3MCT的基本特性2.5.4MCT的主要參數2.5.5MCT的門極驅動返回2.5.1概述綜合利用晶閘管高電壓、大電流技術與MOSFET控制技術，研制出MOS控制晶閘管復合器件。這種復合器件的基本結構是一個晶閘管與一個或幾個MOSFET的集成。根據門極控制方法的不同，MOS晶閘管可分為MOS－GTO(MCT)和MOS光控晶閘管。MCT將MOSFET的高輸入阻抗、低驅動功率與快的開關速度和SCR的高壓大電流結合在一起，成為80年代末最熱門的器件之一。返回2.5.2MCT的結構和工作原理MCT是在SCR結構中集成了一對MOSFET，通過MOSFET來控制SCR的導通與關斷。使MCT導通的P溝道MOSFET稱為ON－FET。使MCT關斷的N溝道MOSFET稱為OFF－FET。MCT是采用DMOSFET集成電路工藝制成的。一個MCT大約105個單胞。每個單胞含有一個寬基區的NPN晶體管和一個窄基區PNP晶體管以及一個OFF－FET。OFF－FET連接在PNP晶體管的基射極之間，另有4％的單胞含有ON－FET，連接在PNP晶體管的集射極之間，這兩組的MOSFET柵極連接在一起，構成MCT的單門極。含有ON－FET的MCT單胞如圖2－19所示。返回2.5.2MCT的結構和工作原理圖2－19MCT的典型結構2.5.2MCT的結構和工作原理MCT的等效電路和符號如圖2－20所示圖2－20MCT的等效電路與符號2.5.2MCT的結構和工作原理在結構上MCT需要用雙門極控制，對外只有單門極，門極信號以陽極為基準而不是以陰極為基準。當門極相對陽極加負脈沖電壓時，ON－FET導通它的漏極電流使NPN晶體管導通。NPN晶體管又使PNP晶體管導通，并且形成正反饋觸發過程。通過正反饋的循環使PNP+NPN1，于是，MCT導通。當門極相對陽極加正脈沖電壓時，OFF－FET導通，PNP晶體管基極電流中斷，PNP晶體管被切斷，破壞了正反饋過程，于是，MCT關斷。一般來說，－5V～－10V脈沖電壓可使MCT導通，＋10V脈沖電壓可使MCT關斷。2.5.3MCT的基本特性靜態正向特性MCT實質上是一個MOS控制的晶閘管。在靜態時，其內含的MOSFET不起作用，MCT相當于晶閘管，因此具有高的阻斷電壓和低的通態壓降。其正向伏安特性如圖2－17所示。MCT的正向伏安特性隨溫度升高左移，也就是說，溫度升高管壓降減小，但反向漏電流增大。MCT的實際工作溫度一般在－55oC～150oC。MCT的正向伏安特性類似于二極管，在很大的電流下，通態電壓僅有一定程度的增加，十分適合于大電流場合。同時，MCT又是雙注入器件，通態電壓隨阻斷電壓的升高變化不大，所以，在高電壓場合更具優勢。返回2.5.3MCT的基本特性圖2－21MCT正向伏安特性2.5.3MCT的基本特性開關特性MCT由內含的MOSFET控制其開通與關斷，開關機理與晶閘管不同。特別是在MCT中，無論是開通或關斷，都是在芯片各個部分同時進行的，與晶閘管相比，MCT具有較快的開關速度。MCT典型的感性開關電路與相應的開關波形如圖2－22所示。圖2－22（a）MCT典型的感性開關電路2.5.3MCT的基本特性圖2－22（b）MCT開關波形TD(off)I90%TFITRITD(on)I10%vGIK-VKA2.5.3MCT的基本特性MCT的關斷有兩個過程：先破壞晶閘管的擎住條件，然后使器件兩個基區中的過剩載流子復合。表征關斷過程的參數主要是關斷時間和關斷損耗。關斷時間由關斷延時時間TD（off）I和關斷電流下降時間TFI組成，如圖2－22（b）所示。關斷損耗Eoff的定義則是，從VG上升變化10％的時刻起到IK＝0的時間內，瞬時功耗VKAIK對時間的積分。2.5.3MCT的基本特性MCT的關斷特性與陰極電流、陰陽極電壓和溫度等有關。陰極電流增大，關斷延時時間TD（off）I減小；關斷電流下降時間TFI略微增大。陰陽極電壓數值增大，關斷延時時間TD（off）I增大；關斷電流下降時間TFI減小。溫度升高，關斷延時時間TD（off）I、關斷電流下降時間TFI、關斷損耗均增大。2.5.3MCT的基本特性MCT開通過程中的參數變化遠沒有關斷過程那樣劇烈。陰極電流上升的同時，陽－陰極之間的電壓是在減小的，可避免開通過程中同時產生峰值電流和峰值電壓，并使開通損耗減小。表征開通特性的參數開通時間TON和開通損耗EON。開通時間TON包括開通延遲時間TD（ON）I和開通電流上升時間TRI，其定義如圖2－22（b）所示。開通損耗EON的定義則是，從VG下降變化10％的時刻起到VKA=VTM的時間內，瞬時功耗VKAIK對時間的積分。（VTM是MCT的通態壓降）2.5.3MCT的基本特性MCT的關斷特性與陰極電流、陰陽極電壓等有關。陰極電流增大，開通延時時間TD（ON）I增大；開通電流上升時間TRI略微增大。陰陽極電壓數值增大，開通延時時間TD（ON）I增大；開通電流上升時間TRI減小。2.5.3MCT的基本特性安全工作區MCT無正偏安全工作區。在沒有吸收電路時的反偏安全工作區，也即是MCT關斷時的電流與電壓極限容量，如圖2－23所示。它們與結溫、電流和工作周期等有關。當工作電流超出安全工作區時，MCT可能失效。但是當峰值可控電流超出安全工作區時，MCT不會像GTO那樣損壞，而只是不能用門極信號關斷而已。2.5.3MCT的基本特性圖2－23MCT的安全工作區2.5.4MCT的主要參數MCT的特性參數分為兩大類：絕對最大額定值和電特性值。絕對最大額定值：在任何情況下都不能超越，否則器件講損壞。電特性值：一般已最小值、典型值、最大值的形式給出，它們與測試方法和應用條件密切相關。在實際應用中，若特性值應用，器件本省不一定損壞，單可能導致電路的工作失常。MCT的主要參數包括：斷態峰值電壓VDRM、反向峰值電壓VRRM、陰極連續電流IKXX、陰極非重復峰值電流ITSM、峰值可控制電流ITC、門陽極電壓（連續）VGA、門陽極電壓（峰值）VGAM、電流變化率di/dt、最大功耗PT、工作與儲存溫度Tj，Tstg和最大引線焊接溫度TL。返回2.5.4MCT的主要參數MCT是非反向阻斷器件，反向峰值電流VRRM很低（大約5V左右，MCT35P60F1），但是使用時還需反并聯二極管。陰極非重復峰值電流ITSM是通態脈寬下所允許的流過器件的最大電流限制允許峰值電流和脈寬的是結溫。當MCT門極通過換向信號時額定關斷的最大陰極電流稱器件的峰值可控制電流ITC。美國Harris公司生產的型號為MCT35P60F1的MCT的主要參數見表2－1所示。2.5.4MCT的主要參數表2－1MCTG35P60F1的最大額定值2.5.5MCT的門極驅動MCT具有MOS門極，因而門極驅動比較容易實現。門極電容的典型值為10nF，在開關動作期間基本上沒有miller效應（對MOSFET或IGBT的柵極和漏極或集電極之間的結電容稱miller電容，從而使得柵極驅動電壓波形上升沿有一小段平臺，這就稱作miller效應）的電容電流，門極的驅動要求進一步簡化。返回2.5.5MCT的門極驅動門極驅動波形MCT的額定性能對門極驅動波形在幅值和上升時間兩方面都有一定的要求。圖2－24給出了MCT門極驅動波形的邊界極限。在MCT開通或關斷的門極脈沖期間，門極波形應處于穩態極限之內。在門極波形變換過程中，門極波形應處于陰影線所示范圍之內。2.5.5MCT的門極驅動圖2－24推薦的MCT門極電壓驅動波形關斷導通時間（us）穩態MCT導通穩態MCT關斷門－陽極電壓（V）－25105－5－10－15－201520250122102.5.5MCT的門極驅動負電壓幅值在MCT的門極上施加相對于陽極為負值的門極電壓時，MCT開通。由于MCT內部的輸出極為晶閘管，一旦陰極電流超過器件的維持電流（毫安級），器件將完全進入通態。－7V的穩態開通極限電壓將保證MCT開通，但最高不能低于－20V。電壓的負轉換過程MCT與其它MOS門極器件相比，它的門極不能控制開關時間。允許門極電壓在負轉換過程中有過沖，但幅值不能低于－25V，維持時間不超過1．8us。2.5.5MCT的門極驅動正電壓幅值在MCT的門極上施加相對于陽極為正值的門極電壓時，MCT關斷或維持斷態。7V的穩態關斷極限電壓將保證MCT維持斷態，但最高不能超過20V。在關斷過程中，要求門極電壓大于18V，持續時間大于1．5us，但最高電壓不能超過25V。電壓的正轉換過程MCT是通過內部MOSFET短路PNP晶體管的基射結實現關斷的。為了實現最大關斷容量，短路的FET必須均勻而快速地開通，以保證MCT關斷相同的電流。因此，門極電壓正轉換時間不能超過200ns，允許門極電壓有一定地過沖，但必須大于18V小于25V。2.5.5MCT的門極驅動MCT門極驅動電壓波形的邊界極限總結：由于MCT內部MOSFET地高溫直流阻斷能力，限定了＋20V和－20V地直流電壓極限。持續1．5us的最小為＋18V的電壓使電流流過內部OFF－FET時，其阻抗很小，從而保證額定的關斷容量。MCT關斷時最小為＋7V的電壓是OFF－FET閥值電壓的2～3倍，保證了器件不會因dv/dt或漏電流而開通。200ns的上升和下降時間保證了所有單胞像一個整體，否則性能會下降。25V瞬態峰值電壓取決于器件的重復瞬態擊穿電壓，典型值至少為40V。－7V的最小值是MCT內部ON－FET閥值電壓的2～3倍，能保證良好的開通。2.5.5MCT的門極驅動門極驅動對關斷電流的影響在MCT完全關斷之前，門極電壓必須達到并維持推薦值，如果降低正的最小穩態門極電壓，則MCT的關斷能力下降。如果增大正的門極電壓轉換時間，則MCT的關斷能力下降。門極驅動條件與可關斷電流之間的關系如圖2－25所示。2.5.5MCT的門極驅動圖2－25（a）Ioff與門極電壓上升時間之間的關系2.5.5MCT的門極驅動圖2－25（b）Ioff與門極電壓之間的關系2.5.5MCT的門極驅動MCT門極驅動的典型電路MCT的門極驅動電路有很多種，其中較常用的是由集成功率驅動器UC3705構成的驅動電路如圖2－26所示。圖2－26MCT門極驅動電路2.6其它新型功率器件

除了我們前面介紹的幾種功率器件外，還有一些常用的功率器件，如：靜電感應晶體管SI